一种掩模台工作台制造技术

一种掩模台工作台，属于超精密加工和检测设备技术领域。该掩模台工作台含有微动台、粗动台和机座；微动台包含微动台台体和洛伦兹电机；洛伦兹电机包含三种洛伦兹电机，每种洛伦兹电机对称分布在微动台台体沿X轴方向的两侧面；粗动台包含驱动模块和粗动台底座，每个驱动模块由粗动台台体、直线电机和气浮轴承组成。微动台台体和粗动台台体均采用碳化硅陶瓷材料构成。本发明专利技术既能满足大行程需要，又能实现高精度六自由度微调；采用碳化硅可加工陶瓷制造主要零部件，重量轻，并将多个零件一体化为一个部件，体积小，使得结构更加紧凑，既减少了微动台零部件数量，又提高了系统的模态、精度和频响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种六自由度定位装置，尤其涉及一种掩模台工作台，主要应用于半导体光刻设备中，属于超精密加工和检测设备

技术介绍
具有高精度和快速响应的超精密微动平台在现代制造技术中具有极其重要的地位，被视为一个国家高技术发展水平的重要标志。在超精密机床中，超精密微动工作台用于对进给系统进行误差补偿，实现超精密加工；在大规模集成电路制造中，超精密微动工作台用于光刻设备中进行微定位和微进给；在扫描探针显微镜中，超精密微动工作台用于测量样品表面形貌，进行纳米加工；在生物工程方面，超精密微动工作台用于完成对细胞的操作，实现生物操作工程化；在医疗科学方面，超精密微动工作台用于显微外科手术，以便减轻医生负担，缩短手术时间，提高成功率。超精密微动工作台还被广泛应用于光纤对接， MEMS系统加工、封装及装配，以及电化学加工等领域中。在半导体光刻设备中，光刻机娃片台和掩模台大多米用粗精叠层结构，包含一个超精密微动工作台。该六自由度微动台叠加于粗动台之上，用于对粗动台进行精度补偿。微动工作台定位精度决定了光刻机的曝光精度，运动速度决定了光刻机的生产效率。因此，美国、日本、欧洲等发达国家均把超精密微动工作台技术视为光刻机核心技术之一，对我国相关产品进行严格的进口限制。概括目前国内外纳米级微动工作台研究现状，超精密六自由度微动台通常有三类，伺服电机通过滚珠丝杠传动/直线导轨支撑微动工作台，压电陶瓷驱动/柔性铰链支撑导向微动工作台，以及音圈电机或变磁阻电机驱动/气浮或磁浮支撑微动工作台。前两种六自由度微动台由于支撑系统的摩擦阻尼非线性等因素影响，均无法满足光刻设备高速度、大负载、高动态特性的要求。采用音圈电机/气浮支撑的六自由度微动台可以满足光刻设备的要求，但存在结构整体性差，台体较厚，质心高等不足，其性能受到一定局限。本申请人在2011年6月28日申请了一种无接触式粗精动叠层六自由度定位装置(申请号201110177038. 2)采用动铁式音圈电机对称分布在微动台基体四周，微动台基体尺寸和质量较大导致电机热损耗大，导致粗动台和平衡块也非常庞大，系统精度低，响应速度慢，无法满足高精度高频响的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构紧凑、质心驱动、高精度和高频响的掩模台工作台。本专利技术的技术方案如下一种掩模台工作台，含有微动台、粗动台和机座，微动台包含微动台台体和洛伦兹电机；粗动台包含第一驱动模块、第二驱动模块和粗动台底座，第一驱动模块和第二驱动模块关于微动台台体呈对称布置；每个驱动模块由粗动台台体、直线电机和气浮轴承组成，其特征在于所述的洛伦兹电机包含三种洛伦兹电机，每种洛伦兹电机对称分布在微动台台体沿X轴方向的两侧面，其中，第一种洛伦兹电机的驱动方向沿X轴方向，关于Y轴对称布置，每侧至少两个，驱动微动台台体沿X方向和绕Z轴旋转方向运动；第二种洛伦兹电机的驱动方向沿Y轴方向并通过微动台质心，每侧一个，驱动微动台台体沿Y方向运动；第三种洛伦兹电机的驱动方向沿Z轴方向，关于Y轴对称布置，每侧两个，位于微动台台体的四个角上，驱动微动台台体沿Z方向、绕X轴旋转方向和Y轴旋转方向运动；所述的粗动台台体的下表面和外侧面分别与粗动台底座的上表面和内侧面之间形成气浮支撑，作为驱动模块的气浮导向；所述的直线电机的动子部分连接在粗动台台体内，直线电机的定子部分固定在粗动台底座的上表面，定子磁钢沿Z轴方向建立磁场，动子线圈水平放置，其长边沿Y方向布置，动子线圈沿X方向在直线电机定子磁钢之间做切割磁力线运动。本专利技术的技术特征还在于微动台台体采用碳化硅陶瓷材料烧制成型；所述的粗动台台体采用碳化硅陶瓷构件，且气浮轴承的气足和粗动台台体构成一体化结构。本专利技术所述的关于Y轴对称的第一种洛伦兹电机每侧四个，每个洛伦兹电机包含上下两部分永磁体组和线圈，线圈位于上下两部分永磁体之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成，主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于轭铁 的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直，在各永磁体之间形成封闭磁路。第二种洛伦兹电机每侧一个，每个洛伦兹电机包含上下两部分永磁体组和线圈，线圈位于上下两部分永磁体之间，并留有间隙；每部分永磁体组由主永磁体和附永磁体组成,主永磁体与附永磁体以Halbach阵列形式粘接固定于轭铁的表面上，相邻的主永磁体与附永磁体的磁场方向相互垂直,在各永磁体之间形成封闭磁路。第三种洛伦兹电机的永磁体包括外磁环和内磁环，外磁环与内磁环的轴线沿Z轴方向同轴布置，外磁环与内磁环充磁方向相同，沿径向方向且由圆环外表面指向圆心；通电线圈为圆柱形线圈，位于内磁环与外磁环之间，并与内外磁环同轴布置；在第二电磁力驱动单元的中心轴线上还布置有一个重力平衡磁柱，其轴线沿Z轴方向与内外磁环同轴，并固定在微动台基座上，其充磁方向沿Z轴方向。本专利技术的另一技术特征是该掩模台工作台还包括电涡流传感器测量系统，电涡流传感器测量系统包括安装在粗动台上的八个电涡流传感器，第一电涡流传感器和第二电涡流传感器安装在第一驱动模块上，并位于沿X轴的一条直线上，测量微动台沿Y轴方向和沿Z轴旋转方向的位移；第三电涡流传感器和第四电涡流传感器分别安装在第一驱动模块和第二驱动模块上，并位于一条沿Y轴方向的直线上，测量微动台沿X轴方向和沿Z轴旋转方向的位移；第五电涡流传感器和第六电涡流传感器安装在第一驱动模块上，并位于一条沿X轴方向的直线上；第七电涡流传感器和第八电涡流传感器安装在第二驱动模块上，并位于一条沿X轴方向的直线上，共同测量微动台沿Z轴方向、沿X轴旋转方向和沿Y轴旋转方向的位移。本专利技术的又一技术特征是所述的掩模台粗动台还包含用于粗动台与机座相对位置反馈的光栅尺测量系统，所述的光栅测量系统包含两个光栅测量装置对称布置在粗动台第一驱动模块和第二驱动模块上，每个光栅测量装置含有一个光栅尺、一个光栅读数头、一个光栅尺安装架和一个光栅尺调整装置；光栅尺调整装置固定于粗动台底座上，光栅尺安装架与光栅尺调整装置固定连接，光栅尺粘贴固定于光栅尺安装架表面上，光栅条纹沿X轴方向，光栅读数头与直线电机连接，通过调整光栅尺调整装置使光栅尺安装架的长边方向沿X轴方向。本专利技术具有以下优点及突出性效果该掩模台工作台采用粗精动叠加的方式，既能满足大行程需要又能实现高精度六自由度微调，采用碳化硅可加工陶瓷制造主要零部件，结构紧凑，重量轻，因此减小了音圈电机的推力需求，从而结构尺寸变小；另外，碳化硅可加工陶瓷材料的应用，将多个零件一体化为一个部件，使得结构更加紧凑，既减少了微动台零部件数量，又提高了系统的模态，提高了精度和频响。附图说明图I为本专利技术提供的一种掩模台工作台的三维结构图。图2为微动台结构示意图。 图3为粗动台结构示意图。图4为微动台台体结构示意图。图5为本专利技术的一种实施例第一种洛伦兹电机剖视图。图6为本专利技术的一种实施例第二种洛伦兹电机剖视图。图7为本专利技术的一种实施例第三种洛伦兹电机剖视图。图8为光栅尺测量系统结构示意图。图中1-粗动台；2_微动台；3_测量系统；4-机座；7 —粗动台底座；8 —粗动台台体；9一直线电机；10 —微动台台体；lla-第一种洛伦兹电机一 ；llb-第一种洛伦兹电机二 ； IIc-第一种洛伦兹电机三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掩模台工作台，含有微动台、粗动台和机座，微动台包含微动台台体（10）和洛伦兹电机；粗动台包含第一驱动模块、第二驱动模块和粗动台底座（7），第一驱动模块和第二驱动模块关于微动台台体呈对称布置；每个驱动模块由粗动台台体（8）、直线电机和气浮轴承组成，其特征在于：所述的洛伦兹电机包含三种洛伦兹电机，每种洛伦兹电机对称分布在微动台台体沿X轴方向的两侧面，其中，第一种洛伦兹电机的驱动方向沿X轴方向，关于Y轴对称布置，每侧至少两个，驱动微动台台体沿X方向和绕Z轴旋转方向运动；第二种洛伦兹电机的驱动方向沿Y轴方向并通过微动台质心，每侧至少一个，驱动微动台台体沿Y方向运动；第三种洛伦兹电机的驱动方向沿Z轴方向，关于Y轴对称布置，每侧两个，位于微动台台体的四个角上，驱动微动台台体沿Z方向、绕X轴旋转方向和Y轴旋转方向运动；所述的粗动台台体（8）的下表面和外侧面分别与粗动台底座（7）的上表面和内侧面之间形成气浮支撑，作为驱动模块的气浮导向；所述的直线电机（9）的动子部分连接在粗动台台体（8）内，直线电机（9）的定子部分固定在粗动台底座（7）的上表面，定子磁钢沿Z轴方向建立磁场，动子线圈水平放置，其长边沿Y方向布置，动子线圈沿X方向在直线电机定子磁钢之间做切割磁力线运动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱煜，张鸣，刘召，许岩，张金，田丽，王婧，杨开明，徐登峰，胡金春，尹文生，穆海华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：